vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2024-3-71-77vir-nw-2028Research ArticleИЗУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ РАСТЕНИЙSTUDYING AND UTILIZATION OF PLANT GENETIC RESOURCESАктивность фотосинтетических пигментов и антиоксидантной системы у подсолнечника в условиях стресса от засухиActivity of photosynthetic pigments and the antioxidant system in sunflower under drought stresshttps://orcid.org/0000-0002-5323-4965ФедороваД. Г.FedorovaD. G.

Дарья Геннадьевна Федорова, кандидат биологических наук, директор ботанического сада 

460018, Оренбург, пр. Победы, 13

Darya G. Fedorova, Cand. Sci. (Biology), Director of the Botanical Garden 

13 Pobedy Ave., Orenburg 460018

DaryaOrlova24@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7449-0378НазароваН. М.NazarovaN. M.

Наталья Михайловна Назарова, кандидат биологических наук, руководитель научной группы ботанического сада 

460018, Оренбург, пр. Победы, 13

Natalia M. Nazarova, Cand. Sci. (Biology), Head of a Scientific Group of the Botanical Garden 

13 Pobedy Ave., Orenburg 460018

Nazarova-1989@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1407-441XУкеновБ. С.UkenovB. S.

Булат Сирикбаевич Укенов, кандидат биологических наук, доцент 

460018, Оренбург, пр. Победы, 13

Bulat S. Ukenov, Cand. Sci. (Biology), Associate Professor 

13 Pobedy Ave., Orenburg 460018

89198660945@mail.ruОренбургский государственный университетРоссияOrenburg State UniversityRussian Federation20241810202418537177Copyright © Федорова Д.Г., Назарова Н.М., Укенов Б.С., 20242024Федорова Д.Г., Назарова Н.М., Укенов Б.С.Fedorova D.G., Nazarova N.M., Ukenov B.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://elpub.vir.nw.ru/jour/article/view/2028

Актуальность. Исследование имеет особое значение ввиду усиливающихся темпов мировой аридизации климата. Статья посвящена результатам эксперимента по влиянию засухи на физиологический статус проростков сорта ‘Посейдон 625’ важной продовольственной культуры – подсолнечника (Helianthus annuus L.). Материалы и методы. Эксперимент включал группу контрольных образцов, выращенных при достаточном увлажнении, и четыре импактных группы, подвергавшихся осмотическому стрессу. Интенсивность накопления продуктов перикисного окисления липидов (ПОЛ) определяли по реакции малонового диальдегида (МДА) с тиобарбетуровой кислотой; активность каталазы – фотоколориметрическим методом, основанном на взаимодействии перекиси водорода с йодистым калием; содержание пигментов (Хл а, Хл b, Кар) – спектрофотометрически в ацетоновом экстракте. Результаты. Выяснено, что у импактных групп опыта степень накопления ПОЛ многократно превышает значения контрольных, что подтверждается быстрым нарастанием концентрации МДА в ответ на усиливающийся дефицит воды. Накопление свободных радикалов кислорода запускает механизмы антиоксидантной защиты проростков путем синтеза каталазы, концентрация которой нарастает пропорционально накоплению ПОЛ. Одновременно быстрое накопление ПОЛ в условиях отсутствия полива и осмотического стресса 3 и 5 атм приводит к супрессии низкомолекулярных компонентов защиты – каротиноидов и активации их синтеза только при достижении критических значений осмотического стресса. Заключение. В результате проведенного эксперимента установлено, что каталаза является основным компонентом антиоксидантной защиты у проростков подсолнечника. За счет активации ее синтеза происходит снижение концентраций Хл а и Хл b, что является свидетельством как активации механизмов защиты фотосинтетической активности проростков, так и их антиоксидантного статуса.

Background. The study is of particular importance in view of the increasing pace of global climate aridization. The article highlights the results of an experiment on the effect of drought on the physiological status of seedlings of cv. ‘Poseidon 625’ representing an important food crop – sunflower (Helianthus annuus L.). Materials and methods. The experiment included a group of control samples grown with sufficient moisture and four impact groups subjected to osmotic stress. The intensity of accumulation of lipid peroxidation products (LPP) was measured by the reaction of malondialdehyde (MDA) with thiobarbeturic acid; catalase activity was assessed by a photocolorimetric method based on the interaction between hydrogen peroxide and potassium iodide; the content of pigments (Chl a, Chl b, Сar) was calculated spectrophotometrically in acetone extract. Results. The degree of POL accumulation in the impact groups of the experiment was found to be many times higher than the values in the control samples, which was confirmed by a rapid increase in the MDA concentration in response to a growing water shortage. The accumulation of oxygen free radicals triggered the mechanisms of antioxidant protection of seedlings by synthesizing catalase, the concentration of which increased proportionally to the accumulation of POL. At the same time, the rapid accumulation of POL in the absence of irrigation and under osmotic stress of 3 and 5 atm led to a suppression of low-molecular-weight components of protection (carotenoids) and activation of their synthesis only when critical values of osmotic stress were reached. Conclusion. As a result of the experiment, catalase was identified as the main component of antioxidant protection in sunflower seedlings. Due to the activation of its synthesis, the concentrations of Chl a and Chl b decreased, attesting to the activation of the mechanisms protecting the photosynthetic activity in seedlings, and their antioxidant status.

Helianthus annuus L.проросткилорофиллкаротиноидыкаталазамалоновый диальдегидHelianthus annuus L.seedlingschlorophyllcarotenoidscatalasemalondialdehydeисследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-76-10060 (https://rscf.ru/ project/23-76-10060/).the research was financially supported by a grant from the Russian Science Foundation, No. 23-76-10060 (https://rscf.ru/project/23-76-10060/).ReferencesBatra N.G., Sharma V., Kumari N. Drought-induced changes in chlorophyll fluorescence, photosynthetic pigments, and thylakoid membrane proteins of Vigna radiata. Journal of Plant Interactions. 2014;9(1):712-721. DOI: 10.1080/17429145.2014.905801Batra N.G., Sharma V., Kumari N. Drought-induced changes in chlorophyll fluorescence, photosynthetic pigments, and thylakoid membrane proteins of Vigna radiata. Journal of Plant Interactions. 2014;9(1):712-721. DOI: 10.1080/17429145.2014.905801Carvalho M., Castro I., Moutinho-Pereira J., Correia C., EgeaCortines M., Matos M. et al. Evaluating stress responses in cowpea under drought stress. Journal of Plant Physiology. 2019;241:153001. DOI: 10.1016/j.jplph.2019.153001Carvalho M., Castro I., Moutinho-Pereira J., Correia C., EgeaCortines M., Matos M. et al. Evaluating stress responses in cowpea under drought stress. Journal of Plant Physiology. 2019;241:153001. DOI: 10.1016/j.jplph.2019.153001Chen J., Zhao X., Zhang Y., Li Y., Luo Y., Ning Z. et al. Effects of drought and rehydration on the physiological responses of Artemisia halodendron. Water. 2019;11(4):793. DOI: 10.3390/w11040793Chen J., Zhao X., Zhang Y., Li Y., Luo Y., Ning Z. et al. Effects of drought and rehydration on the physiological responses of Artemisia halodendron. Water. 2019;11(4):793. DOI: 10.3390/w11040793Chowdhury M.K., Hasan M.A., Bahadur M.M., Islam M.R., Hakim M.A., Iqbal M.A. et al. Evaluation of drought tolerance of some wheat (Triticum aestivum L.) genotypes through phenology, growth, and physiological Indices. Agronomy. 2021;11(9):1792. DOI: 10.3390/agronomy11091792Chowdhury M.K., Hasan M.A., Bahadur M.M., Islam M.R., Hakim M.A., Iqbal M.A. et al. Evaluation of drought tolerance of some wheat (Triticum aestivum L.) genotypes through phenology, growth, and physiological Indices. Agronomy. 2021;11(9):1792. DOI: 10.3390/agronomy11091792Demidchik V. Mechanisms of oxidative stress in plants: From classical chemistry to cell biology. Environmental and Experimental Botany. 2015;109:212-228. DOI: 10.1016/j.envexpbot.2014.06.021Demidchik V. Mechanisms of oxidative stress in plants: From classical chemistry to cell biology. Environmental and Experimental Botany. 2015;109:212-228. DOI: 10.1016/j.envexpbot.2014.06.021Дейнека В.И., Шапошников А.А., Дейнека Л.А., Гусева Т.С., Вострикова С.М., Шенцева Е.А. и др. Каротиноиды: строение, биологические функции и перспективы применения. Актуальные проблемы медицины. 2008;6-2(46):19-25.Deyneka V.I., Shaposhnikov A.A., Deyneka L.A., Guseva T.S., Vostrikova S.M., Shentseva E.A. et al. Carotenoids: the structure, biological functions and perspectives of application. Challenges in Modern Medicine. 2008;6-2(46):19-25. [in Russian]Đurić M., Subotić A., Prokić L., Trifunović-Momčilov M., Cingel A., Vujičić M. et al. Morpho-physiological and molecular evaluation of drought and recovery in Impatiens walleriana grown ex vitro. Plants. 2020;9(11):1559. DOI: 10.3390/plants9111559Đurić M., Subotić A., Prokić L., Trifunović-Momčilov M., Cingel A., Vujičić M. et al. Morpho-physiological and molecular evaluation of drought and recovery in Impatiens walleriana grown ex vitro. Plants. 2020;9(11):1559. DOI: 10.3390/plants9111559Гагаринский Е.Л., Филимонов В.В., Касаткин М.Ю. Влияние осмотического стресса на развитие проростков мягкой пшеницы. Бюллетень Ботанического сада Саратовского государственного университета. 2014;(12):162-171.Gagarinsky E.L., Filimonov V.V., Kasatkin M.Yu. Influence of osmotic stress on wheat seedlings development. Bulletin of Botanic Garden of Saratov State University. 2014;(12):162-171. [in Russian]Heath R.L., Packer L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts. I. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation. Archives of Biochemistry and Biophysics. 1968;125(1):189-198. DOI: 10.1016/0003-9861(68)90654-1Heath R.L., Packer L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts. I. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation. Archives of Biochemistry and Biophysics. 1968;125(1):189-198. DOI: 10.1016/0003-9861(68)90654-1Kapoor D., Bhardwaj S., Landi M., Sharma A., Ramakrishnan M., Sharma A. The impact of drought in plant metabolism: How to exploit tolerance mechanisms to increase crop production. Applied Sciences. 2020;10(16):5692. DOI: 10.3390/app10165692Kapoor D., Bhardwaj S., Landi M., Sharma A., Ramakrishnan M., Sharma A. The impact of drought in plant metabolism: How to exploit tolerance mechanisms to increase crop production. Applied Sciences. 2020;10(16):5692. DOI: 10.3390/app10165692Maehly A.C., Chance B. The assay of catalases and peroxidases. In: D. Glick (ed.). Methods of Biochemical Analysis. Vol. 1. New York: Interscience Publications; 1954. p.358-424. DOI: 10.1002/9780470110171.ch14Maehly A.C., Chance B. The assay of catalases and peroxidases. In: D. Glick (ed.). Methods of Biochemical Analysis. Vol. 1. New York: Interscience Publications; 1954. p.358-424. DOI: 10.1002/9780470110171.ch14Mahmood T., Khalid S., Abdullah M., Ahmed Z., Shah M.K.N., Ghafoor A. et al. Insights into drought stress signaling in plants and the molecular genetic basis of cotton drought tolerance. Cells. 2020;9(1):105. DOI: 10.3390/cells9010105Mahmood T., Khalid S., Abdullah M., Ahmed Z., Shah M.K.N., Ghafoor A. et al. Insights into drought stress signaling in plants and the molecular genetic basis of cotton drought tolerance. Cells. 2020;9(1):105. DOI: 10.3390/cells9010105Miller G., Suzuki N., Ciftci-Yilmaz S., Mittler R. Reactive oxygen species homeostasis and signalling during drought and salinity stresses. Plant, Cell and Environment. 2010;33(4):453-467. DOI: 10.1111/j.1365-3040.2009.02041.xMiller G., Suzuki N., Ciftci-Yilmaz S., Mittler R. Reactive oxygen species homeostasis and signalling during drought and salinity stresses. Plant, Cell and Environment. 2010;33(4):453-467. DOI: 10.1111/j.1365-3040.2009.02041.xNikolaeva M.K., Maevskaya S.N., Shugaev A.G., Bukhov N.G. Effect of drought on chlorophyll content and antioxidant enzyme activities in leaves of three wheat cultivars varying in productivity. Russian Journal of Plant Physiology. 2010;57(1):87-95. DOI: 10.1134/S1021443710010127Nikolaeva M.K., Maevskaya S.N., Shugaev A.G., Bukhov N.G. Effect of drought on chlorophyll content and antioxidant enzyme activities in leaves of three wheat cultivars varying in productivity. Russian Journal of Plant Physiology. 2010;57(1):87-95. DOI: 10.1134/S1021443710010127Saha S., Begum H.H.; Nasrin S., Samad R. Effects of drought stress on pigment and protein contents and antioxidant enzyme activities in five varieties of rice (Oryza sativa L.). Bangladesh Journal of Botany. 2020;49(4):997-1002. DOI: 10.3329/bjb.v49i4.52516Saha S., Begum H.H.; Nasrin S., Samad R. Effects of drought stress on pigment and protein contents and antioxidant enzyme activities in five varieties of rice (Oryza sativa L.). Bangladesh Journal of Botany. 2020;49(4):997-1002. DOI: 10.3329/bjb.v49i4.52516Sharma A., Kumar V., Shahzad B., Ramakrishnan M., Sidhu G.P.S., Bali A.S. et al. Photosynthetic response of plants under different abiotic stresses: a review. Journal of Plant Growth Regulation. 2020;39(2):509-531. DOI: 10.1007/s00344-019-10018-xSharma A., Kumar V., Shahzad B., Ramakrishnan M., Sidhu G.P.S., Bali A.S. et al. Photosynthetic response of plants under different abiotic stresses: a review. Journal of Plant Growth Regulation. 2020;39(2):509-531. DOI: 10.1007/s00344-019-10018-xШлык А.А. О спектрофотометрическом определении хлорофиллов a и b. Биохимия. 1968;33(2):275-285.Shlyk A.A. On the spectrophotometric determination of chlorophylls a and b (O spektrofotometricheskom opredelenii khlorofillov a i b). Biochemistry (Moscow). 1968;33(2):275-285. [in Russian]Тютерева Е.В., Дмитриева В.А., Войцеховская О.В. Хлорофилл b как источник сигналов, регулирующих развитие и продуктивность растений (обзор). Сельскохозяйственная биология. 2017;52(5):843-855. DOI: 10.15389/agrobiology.2017.5.843rusТyutereva E.V., Dmitrieva V.A., Voitsekhovskaja O.V. Chlorophyll b as a source of signals steering plant development (review). Agricultural Biology. 2017;52(5):843-855. [in Russian] DOI: 10.15389/agrobiology.2017.5.843rusДиагностика устойчивости растений к стрессовым воздействиям: методическое руководство / под ред. Г.В. Удовенко. Ленинград: ВИР; 1988.Udovenko G.V. (ed.) Diagnostics of plant resistance to stress: a methodological guide (Diagnostika ustoychivosti rasteniy k stressovym vozdeystviyam: metodicheskoye rukovodstvo). Leningrad: VIR; 1988. [in Russian]Wasaya A., Manzoor S., Yasir T.A., Sarwar N., Mubeen K., Ismail I.A. et al. Evaluation of fourteen bread wheat (Triticum aestivum L.) genotypes by observing gas exchange parameters, relative water and chlorophyll content, and yield attributes under drought stress. Sustainability. 2021;13(9):4799. DOI: 10.3390/su13094799Wasaya A., Manzoor S., Yasir T.A., Sarwar N., Mubeen K., Ismail I.A. et al. Evaluation of fourteen bread wheat (Triticum aestivum L.) genotypes by observing gas exchange parameters, relative water and chlorophyll content, and yield attributes under drought stress. Sustainability. 2021;13(9):4799. DOI: 10.3390/su13094799Xie H., Li M., Chen Y., Zhou Q., Liu W., Liang G. et al. Important physiological changes due to drought stress on oat. Frontiers in Ecology and Evolution. 2021;9:644726. DOI: 10.3389/fevo.2021.644726Xie H., Li M., Chen Y., Zhou Q., Liu W., Liang G. et al. Important physiological changes due to drought stress on oat. Frontiers in Ecology and Evolution. 2021;9:644726. DOI: 10.3389/fevo.2021.644726

The authors declare that there are no conflicts of interest present.